一种用于车轴激光熔覆技术的自动上下料系统及方法

本技术涉及车轴加工上下料自动化，尤其涉及一种用于车轴激光熔覆技术的自动上下料系统及方法。

背景技术：

1、车轴作为轨道交通领域的关键承载部件，长期承受交变载荷和摩擦磨损，其表面常需通过激光熔覆技术进行修复或强化。激光熔覆技术具有热影响区小、稀释率低、结合强度高等优点，广泛应用于车轴表面改性处理。车轴具有质量大、长度长、形状细长且重心分布不均的特点，现有的上下料方式包括以下三种：1、人工行车吊运方式；2、桁架机械手抓取方式；3、有轨龙门单机器人上下料方式。

2、其中，人工行车吊运方式需要在车间配置固定有轨行车，操作人员手持遥控器控制行车移动，人工攀爬挂钩、手动扶正倾斜车轴，将工件放置机床托架，加工完成后再次人工解钩转运至缓存区。该方式的缺点是：安全性差、效率低、定位精度完全依赖工人经验，无法规模化量产。

3、桁架机械手抓取方式采用桁架机械手直接抓取车轴完成转运。该方式的缺点是：设备采购成本极高，重载机器人占地面积大，且重载机器人运动速度慢，上下料节拍远低于龙门吊装方式。

4、有轨龙门单机器人上下料方式需在车间地面铺设钢轨，龙门架沿轨道移动，横梁上设机械手抓取车轴，并配置单侧推正机构和单个视觉相机辅助校正；该方式的缺点是：地面轨道铺设改造成本高，且移动范围固定、无法跨工位灵活调度，难以适应多型号车轴混线生产；仅单侧校正无法实现车轴两端同步定心，车轴与激光熔覆机床主轴的同轴度难以保证；缺乏吊运过程中的主动跟随联动，下落对接时姿态偏移严重；单一相机无法全面感知车轴三维空间姿态，定位精度不足，定位偏差直接导致熔覆层厚薄不均甚至加工报废。

技术实现思路

1、本技术的实施例提供一种用于车轴激光熔覆技术的自动上下料系统及方法，不仅安全性与自动化程度大幅提升，而且定位精度高，能够保障熔覆加工质量，还具有设备成本可控，结构轻量化，产线柔性强、改造成本低的优点。

2、为达到上述目的，一方面，本技术的实施例提供了一种用于车轴激光熔覆技术的自动上下料系统，包括移动龙门架组件、复合机器人组件、激光熔覆机床、可移动托料架组件、缓存架和控制系统；移动龙门架组件包括无轨移动龙门架、主吊绳、平衡梁、第一三维视觉传感器和平行吊绳；无轨移动龙门架能够实现无轨自主行驶；平衡梁通过主吊绳悬挂于无轨移动龙门架上，并通过平行吊绳吊运车轴；主吊绳与控制系统通信连接；控制系统能够控制主吊绳升降；第一三维视觉传感器设置于平衡梁上，用于采集车轴的整体姿态数据；复合机器人组件包括两个复合机器人；每个复合机器人均包括自主移动平台和协作机械臂，协作机械臂的末端设置有v型夹爪；v型夹爪上设置有第二三维视觉传感器和力觉传感器；v型夹爪用于夹持并引导车轴运动；可移动托料架组件设置于激光熔覆机床上，用于承接车轴，并可沿轴向和垂向调整位置，以使车轴与激光熔覆机床的主轴在上料时同轴对准，或在下料时从同轴位置移出；缓存架包括第一缓存区和第二缓存区，分别用于存放待加工和已加工完成的车轴；控制系统分别与第一三维视觉传感器、两个第二三维视觉传感器、力觉传感器和复合机器人通信连接，用于接收各传感器采集的数据并进行融合解算，生成抓取轨迹，并发送给复合机器人。

3、进一步地，所述无轨移动龙门架上设置有高精度编码器，用于实时采集主吊绳的升降速度、升降位置及加速度数据，并发送至复合机器人组件。

4、进一步地，所述平衡梁呈横梁结构；平行吊绳为两根；平衡梁的上端中心点通过主吊绳悬挂于无轨移动龙门架的底部，下端两侧通过两根平行吊绳分别连接车轴的两端轴颈；平衡梁可绕中心吊点自由摆动；第一三维视觉传感器安装于平衡梁的下端面，其光轴朝下设置，用于实时采集车轴的整体三维点云，获取车轴的整体姿态、空间位置及下降高度。

5、进一步地，两个所述v型夹爪的v形面分别用于夹持车轴两端轴颈，实现自动定心，并引导车轴运动至车轴线与激光熔覆机床的主轴轴线位于同一竖直面上；两个第二三维视觉传感器分别用于拍摄对应端轴颈的三维点云，获取轴颈端面、台阶边缘及圆柱面的精确三维坐标；两个力觉传感器分别用于检测对应的v型夹爪与车轴轴颈之间的接触力。

6、进一步地，两个所述复合机器人的协作机械臂在垂直方向上具有主动跟随功能；主动跟随功能具体为：两个复合机器人通过控制系统接收高精度编码器实时发送的下降速度、下降位置及加速度数据，并根据数据驱动协作机械臂的垂直关节同步运动，使两个v型夹爪与车轴在垂直方向上的位移保持同步，直至接收到控制系统发送的车轴已落座于可移动托料架组件的信号。

7、进一步地，所述控制系统在力觉传感器检测到的接触力信号达到预设阈值，且第一三维视觉传感器确认车轴下降至预设位置时，判定车轴已落座于可移动托料架组件，并控制主吊绳继续下降至主吊绳松弛。

8、进一步地，所述可移动托料架组件包括两个可移动托料架，每个可移动托料架均包括滑动座、升降机构和设置于升降机构顶部的辊轮组件；两个可移动托料架分别承接车轴的两端轴身，并通过滑动座的轴向滑动和升降机构的垂直升降协同调整车轴的位置，使车轴与激光熔覆机床的主轴同轴对准；控制系统分别与滑动座和升降机构通信连接，用于驱动滑动座和升降机构运动。

9、进一步地，所述第一三维视觉传感器和第二三维视觉传感器均为3d相机、激光轮廓扫描仪或双目工业视觉相机中的任一种；无轨移动龙门架采用激光导航、二维码导航中的任一种方式实现自主行驶；自主移动平台为agv底盘，agv底盘采用slam自然导航方式实现自主导航。

10、另一方面，本技术的实施例还提供了一种基于上述用于车轴激光熔覆技术的自动上下料系统的方法，包括以下步骤：上料步骤：s1：激光熔覆机床发出上料请求，移动龙门架组件行驶至缓存架上方，第一三维视觉传感器识别车轴姿态，控制系统根据接收到的车轴姿态，控制系统控制主吊绳下降，使平行吊绳与车轴连接，再控制主吊绳上升将车轴吊起；车轴被提起后，第一三维视觉传感器实时监测车轴水平姿态；两个复合机器人分别移动至激光熔覆机床的工位两侧，通过各自末端的第二三维视觉传感器拍摄视觉靶标，解算工位精确坐标系；s2：移动龙门架组件将车轴运输至激光熔覆机床的工位上方，第一三维视觉传感器、两个第二三维视觉传感器同时采集车轴两端轴颈及整体姿态数据并发送给控制系统，控制系统融合数据，解算实际位置偏差，生成抓取轨迹，并发送给两个复合机器人；s3：两个复合机器人的协作机械臂根据融合轨迹移动至轴颈附近，以力控模式接近并夹持车轴两端，v型夹爪自动定心，并引导车轴至车轴线与激光熔覆机床的主轴轴线位于同一竖直面上；s4：控制系统控制主吊绳下降，无轨移动龙门架通过高精度编码器实时发送下降速度、下降位置及加速度数据给复合机器人，复合机器人根据接收到的数据，驱动机械臂垂直关节同步下降，实现主动跟随；s5：车轴落座在可移动托料架组件上，力觉传感器检测到的接触力信号达到预设阈值且第一三维视觉传感器确认车轴下降至预设位置时，控制系统控制主吊绳继续下降至主吊绳松弛，复合机器人松开v型夹爪并撤离；移动龙门架组件也撤离；s6：控制系统控制可移动托料架组件将车轴与激光熔覆机床的主轴同轴对准后，激光熔覆机床夹紧车轴，可移动托料架组件撤离；下料步骤包括：s7：激光熔覆机床发出下料请求后，控制系统控制可移动托料架组件移动至已加工车轴下方并升起已加工车轴，激光熔覆机床的夹紧装置松开，可移动托料架组件承载已加工车轴退出机床工作位置；移动龙门架组件移动至已加工车轴上方，控制系统控制主吊绳下降，使平行吊绳与已加工车轴连接；s8：两个复合机器人移动至工位两侧，通过末端的第二三维视觉传感器获取已加工车轴姿态，并夹持加工车轴两端；s9：控制系统控制主吊绳提升，复合机器人以相同速度同步提升，保持v型夹爪与车轴在垂直方向上的相对位置不变；s10：已加工车轴被提升至安全高度后，复合机器人松开v型夹爪并撤离；移动龙门架组件将车轴运至缓存架，完成下料。

11、进一步地，所述s4中v型夹爪自动定心具体包括：两个v型夹爪通过其v形面与车轴两端轴颈接触配合，利用v形面的对称结构将车轴两端分别引导至v形面的中心位置，实现车轴两端同步定心；以力控模式接近并夹持车轴两端具体包括：复合机器人根据力觉传感器反馈的接触力数据，实时调整末端位置与接触力，使接触力控制在预设范围内。

12、本技术相比现有技术具有以下有益效果：

13、1、本技术实施例用于车轴激光熔覆技术的自动上下料系统，全程自动化执行，无需人工挂钩、扶正、转运操作，杜绝了车轴坠落、挤压伤人的风险，且单套系统可适配多台机床连续作业，产能显著高于人工与有轨自动化方案。

14、2、本技术实施例用于车轴激光熔覆技术的自动上下料系统，采用多 3d 视觉融合校正，配合双机器人两端同步定心、主动跟随联动，彻底解决吊运摆动、倾斜问题，车轴与机床主轴同轴精度大幅提升，熔覆层均匀稳定，降低了工件报废率。

15、3、本技术实施例用于车轴激光熔覆技术的自动上下料系统，采用“重载龙门承重+轻载机器人校正”分离架构，不需要采购大负载重载抓取机器人，协作机械臂仅承受夹持接触力，型号规格更小，整套设备采购、维护成本更低。无轨龙门无需铺设轨道，车间改造工程量、硬件投入远低于有轨龙门方案，还可兼容多种长度、重量车轴混线生产。